2.2.1. Kiến thức
- Nêu được các cách làm nhiễm điện một vật (cọ xát, tiếp xúc và hưởng ứng). - Phát biểu được định luật bảo tồn điện tích.
- Phát biểu được định luật Cu -lông và chỉ ra đặc điểm của lực điện giữa hai điện tích điểm.
- Trình bày được các nội dung chính của thuyết êlectron. - Nêu được điện trường tồn tại ở đâu, có tính chất gì. - Phát biểu được định nghĩa cường độ điện trường. - Nêu được các đặc điểm của đường sức điện. - Nêu được trường tĩnh điện là trường thế.
- Phát biểu định nghĩa hiệu điện thế giữa hai điểm của điện trường và nêu được đơn vị đo hiệu điện thế.
- Nêu được mối quan hệ giữa cường độ điện trường đều và hiệu điện thế giữa hai điểm của điện trường đó. Nêu được đơn vị đo cường độ điện trường. - Nêu được nguyên tắc cấu tạo của tụ điện và nhận dạng được các tụ điện thường dùng.
- Phát biểu định nghĩa điện dung của tụ điện và nêu được đơn vị đo điện dung. Nêu được ý nghĩa các số ghi trên mỗi tụ điện.
- Nêu được điện trường trong tụ điện và mọi điện trường đều mang năng lượng. Viết được công thức W = 1
- Nêu được cách mắc các tụ điện thành bộ và viết được cơng thức tính điện dung tương đương của mỗi bộ tụ điện.
2.2.2. Kỹ năng
- Vận dụng thuyết êlectron để giải thích được các hiện tượng nhiễm điện. - Vận dụng được định luật Cu - lông để xác định lực điện tác dụng giữa hai điện tích điểm.
- Xác định được cường độ điện trường (phương, chiều và độ lớn) tại một điểm của điện trường gây bởi một, hai hoặc ba điện tích điểm.
- Tính được cơng của lực điện khi di chuyển một điện tích giữa hai điểm trong điện trường đều.
- Giải được bài tập về chuyển động của điện tích trong điện trường đều. - Vận dụng được công thức C = Q
U và W = 1 2 CU2.
- Vận dụng được các cơng thức tính điện dung tương đương của bộ tụ điện 2.3. Phương pháp xây dựng và hướng dẫn giải hệ thống bài tập chương Tĩnh điện học.
2.3.1. Phương pháp xây dựng hệ thống bài tập chương Tĩnh điện học.
Trước thực tế nội dung kiến thức trong các đề thi học sinh giỏi quốc gia của nước ta hiện nay chủ yếu các bài tập tự luận thuộc mức độ tổng hợp, sáng tạo đòi hỏi học sinh phải có khả năng tư duy logic, kỹ năng tổng hợp kiến thức, phát hiện và giải quyết vấn đề trong những bài tốn phức tạp. Trong đó có thể bao gồm các bài tập khó thuộc chương Tĩnh điện học.
Đồng thời dựa vào đặc thù kiến thức của chương, căn cứ vào mục tiêu dạy học, bồi dưỡng học sinh giỏi và đặc điểm của học sinh Chuyên Lý THPT chuyên Nguyễn Trãi tôi xây dựng hệ thống bài tập chương Tĩnh điện học và phân loại theo nội dung: 4 nội dung với 8 bài có hướng dẫn giải, 12 bài có lời giải và 12 bài tập tự giải. Theo bảng phân loại bài tập như sau:
TĨNH ĐIỆN HỌC Lực tương tác giữa hai điện tích ĐỊNH LUẬT CU-LƠNG
ĐIỆN TRƯỜNG ĐIỆN THẾ. HIỆU ĐIỆN THẾ TỤ ĐIỆN Lực tương tác giữa nhiều điện tích Cân bằng của điện tích. Độ lớn của điện tích Điện thế. Hiệu điện thế Công của lực điện. Cường độ điện trường của nhiều điện tích điểm Chuyển động điện tích trong điện trường Tính tốn các đại lượng Ghép các tụ điện Mạch cầu tụ
2.3.2. Phương pháp hướng dẫn giải bài tập chương Tĩnh điện học
2.3.2.1. Phương pháp hướng dẫn giải bài tập định tính chương Tĩnh điện học
Các bài tập định tính trong chương Tĩnh điện học cũng thuộc hai loại bài tập định tính điển hình đó là giải thích hiện tượng và dự đốn hiện tượng. Các hiện tượng Vật lý trong đó đều chịu sự chi phối của định luật Cu-lông. Ở đây trong quá trình hướng dẫn giải bài tập tôi đã định hướng khái quát cho học sinh dẫn các em theo các bước giải bài tập định tính, hình thành ở các em khả năng suy luận(luận ba đoạn) và kỹ năng giải các bài tập định tính trong Vật lý. Cụ thể là sau khi phân tích đề bài tơi hướng dẫn cho học sinh căn cứ vào những điều kiện cụ thể của đề bài, xác định những định luật chi phối hiện tượng, dự đốn được hiện tượng gì xảy ra và xảy ra thế nào hoặc từ đó giải thích được các hiện tượng.
2.3.2.2. Phương pháp hướng dẫn giải bài tập định lượng chương Tĩnh điện học
Những bài tập định lượng trong chương Tĩnh điện học được sử dụng để hướng dẫn cho học sinh giỏi ở đây chủ yếu là các bài có mức độ tổng hợp. Trong những bài tập đó việc tìm kiếm lời giải phải thực hiện một chuỗi các lập luận logic, biến đổi toán học qua nhiều mối liên hệ giữa những đại lượng đã cho, đại lượng phải tìm với những đại lượng trung gian khơng cho trong dữ kiện bài tốn. Bản thân việc xác lập mối liên hệ trung gian đó là một bài tập cơ bản. Và do đó, muốn giải được bài tập tổng hợp này buộc người học phải giải được thành thạo các bài tập cơ bản, ngồi ra cịn phải biết cách phân tích bài tập phức hợp để quy nó về các bài tập đơn giản đã biết.
Kiểu hướng dẫn giải bài tập chủ đạo mà tôi sử dụng ở đây là định hướng khái qt hóa kết hợp với hướng dẫn tìm tịi:
+ Định hướng tư duy của học sinh theo đường lối khái quát của việc giải quyết vấn đề ở đây là hướng cho học sinh biết phân tích một bài tốn phức tạp, tổng quát thành các bài toán đơn giản, cụ thể. Thực chất là rèn cho học sinh biết cách suy luận khái quát hóa “Từ một vấn đề rất khó, nếu chúng ta
biết cách tập trung, gỡ rối từng mảng thì chúng ta có thể đưa vấn đề ra ánh sáng. Ít ra, chúng ta có thể đặt vấn đề một cách dễ hiểu hơn. Nói cách khác,
chúng ta đã đi từng bước để khái quát hóa vấn đề.”[ 11]
Đồng thời định hướng cho học sinh biết cách suy luận tổng quát hóa vấn đề “Ta gặp một vấn đề F(w1, w2,…, wn) tại điểm các thông số đã là hằng nhất định. Giải xong vấn đề này, ta tiến đến tổng qt hố chúng cho các thơng số wi bất định nằm trong giới hạn nào đó”[11]. Thực chất là rèn luyện cho học sinh cách suy luận chuyển từ việc khảo sát một tập hợp đối tượng sang một tập hợp đối tượng lớn hơn chứa tập hợp đối tượng ban đầu. Sau khi làm một bài tập với một đại lượng trung gian cụ thể xác định biết cách suy luận để chuyển sang một bài tập khác tổng quát hơn có đại lượng trung gian bất kỳ. + Định hướng tìm tịi được sử dụng thơng qua việc gợi mở để học sinh để các em tự tìm cách giải quyết, tự xác định các hành động cần thực hiện để đạt các em có thể chuyển từ các bài cụ thể, đơn giản sang các bài tập tổng quát phức tạp hơn.
Thật vậy ở đây tôi đã yêu cầu, định hướng để học sinh làm các bài tốn đơn giản sau đó hướng các em tổng hợp kiến thức để làm những bài tốn tổng hợp khó hơn. Đồng thời gợi mở, định hướng để các em suy luận tổng quát và tiến đến làm được cái bài tốn có nhiều biến tổng qt hơn nữa.
Những bài tập sử dụng để hướng dẫn và xây dựng cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi ở chương này là những bài tập khó: Khó ở chỗ mỗi bài thường liên quan đến nhiều mảng của Vật lý khiến khó ghép nối liên hệ giữa các mảng, liên quan đến nhiều đại lượng Vật lý dẫn đến phải giải nhiều phương trình và sẽ khó trong khâu xử lý tốn học. Do vậy trong quá trình hướng dẫn giải các bài tập cho Học sinh giỏi Vật lý trong quá trình hướng cho học sinh làm theo các bước của phương pháp giải bài tập Vật lý tơi đã chú ý phân tích và hướng dẫn học sinh một số cách làm cụ thể và chi tiết như sau:
+ Bước 1. Tìm hiểu đề bài: Đọc đúng đề bài, mô tả hiện tượng vật lí nêu trong đề bài (có thể vẽ hình), xác định xem trong lớp hiện tượng vật lí đã cho có những đại lượng vật lí nào đã cho, đại lượng nào cần tìm.
+ Bước 2. Xây dựng lập luận: Căn cứ vào các dữ kiện đề bài, các điều kiện ràng buộc nhằm làm rõ bản chất Vật lý và diễn biến của các hiện tượng được mơ tả trong bài từ đó xác định các cơng thức các định luật biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng đã cho và cần tìm, từ đó lập các phương trình.
Bước 3. Luận giải: Trong quá trình giải các phương trình vốn liên quan đến các đại lượng Vậy lý khác nhau thuộc nhiều mảng kiến thức thì mấu chốt để gỡ rối chính là các định luật tổng quát nghiệm đúng trong nhiều quá trình Vật lý và các đại lượng Vật lý chung tham gia, làm ảnh hưởng đến các giai đoạn của hiện tượng Vật lý. Ví dụ định luật bảo tồn và chuyển hóa năng lượng áp dụng trong tất cả các quá trình cơ, nhiệt, điện, quang, định luật bảo tồn điện tích…Một số đại lượng Vật lý thường xuất hiện trong nhiều quuá trình cơ, điện, nhiệt, từ… như năng lượng, lực, áp suất …Khi đồng nhất hoặc rút và thế các đại lượng đó trong các phương trình là cách làm phổ biến và thuận tiện trong hầu hết các bài tập Vật lý từ dễ đến khó.
Bước 4. Biện luận: Phân tích kết quả cuối cùng để loại bỏ những kết quả không phù hợp với điều kiện đầu bài tập hoặc không phù hợp với thực tế và kết luận
2.3.2.3. Mục tiêu của việc hướng dẫn giải bài tập chương Tĩnh điện học
Trong quá trình hướng dẫn giải bài tập của chương Tĩnh điện học đã định hướng để học sinh hoàn thiện các kỹ năng giải bài tập Vật lý, biết kết hợp xây dựng lập luận phân tích và lập luận tổng hợp. Mục tiêu cụ thể của quá trình hướng dẫn các bài tập Vật lý ở đây là:
+ Rèn luyện kỹ năng giải bài tập Vật lý nói chung và kỹ năng giải bài tập chương Tĩnh điện học nói riêng.
+ Phát triển khả năng suy luận và và tư duy logic của học sinh, đó là điều kiện để học sinh có thể giải được các bài tốn khó, bài tốn tổng hợp góp phần bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý.
2.4. Xây dựng hệ thống bài tập và hướng dẫn hoạt động giải bài tập
chương Tĩnh điện học nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý trung học phổ
thông chuyên
2.4.1. Lực tương tác tĩnh điện 2.4.1.1. Bài tập có hướng dẫn 2.4.1.1. Bài tập có hướng dẫn
Bài 1.1: Lực tương tác giữa 2 điện tích điểm
Hai điện tích điểm q1 và q2, đặt cách nhau 1 mét trong chân không, tương tác với nhau bởi một lực là 0,18 N. Cho tiếp xúc với nhau để hai điện tích trở nên bằng nhau và đặt cách nhau 50 cm trong chân khơng thì chúng tác dụng lên nhau bởi lực bằng 0,576 N. Tính q1 và q2?
Hướng dẫn hoạt động giải bài tập 1.1:
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh 1. Hướng dẫn học sinh tìm hiểu đề bài
Yêu cầu học sinh đọc đề bài chỉ ra bài toán cho những dữ kiện nào và bắt tìm gì.
Căn cứ vào những dấu hiệu đó các em hãy cho biết chúng liên quan đến đại
1. Tìm hiểu đề bài:
Cho hai điện tích điểm, trong chân không
Ban đầu: cách nhau r = 1 m; lực
tương tác Cu-lông là 0,18 N.
Sau khi tiếp xúc: Hai điện tích bằng
nhau, tách ra đặt cách nhau 50 cm thì lực tương tác là 0,576 N.
Tính q1 và q2? Trả lời câu hỏi
Những dấu hiệu đó liên quan đến hiện tượng:
lượng vật lí nào và chịu sự chi phối của những định luật nào?
2. Xây dựng lập luận
- Hai điện tích điểm tương tác luôn đặt trong chân không
Ban đầu hai điện tích điểm q1 và q2 cách nhau r1 gọi lực tương tác của chúng là F. Từ đó ta xác định được biểu thức lực tương tác.
- Sau khi cho hai điện tích tiếp xúc thì có sự trao đổi điện tích đến khi điện tích của chúng cân bằng để tìm điện tích của chúng lúc này ta phải dùng định luật bảo tồn điện tích.
Sau khi tách 2 điện tích ra đặt cách nhau r' thì lực tương tác giữa hai điện tích lúc này thay đổi ta viết được biểu thức lực tác giữa hai điện tich khi đó.
3. Luận giải
-Từ các biểu thức của định luật Cu-lơng và định luật bảo tồn điện tích: với điều kiện của bài toán đã cho viết phương trình thể hiện mối liên hệ giữa các đại
điểm
- Sự di chuyển các điện tích
Do đó chịu sự chi phối bởi hai định luật:
- Định luật bảo tồn điện tích - Định luật Cu-lông
2. Xây dựng lập luận
- Học sinh lắng nghe, ghi nhận
- Hoàn thành lập luận
3. Luận giải
- Học sinh lắng nghe, nhận định và viết được biểu thức:
Gọi hai điện tích điểm ban đầu là q1, q2
lượng
- Biến đổi tốn học tìm q1 và q2
Do trong biểu thức định luật Cu-lơng khi tính độ lớn của lực tương tác lấy giá trị tuyệt đối của điện tích nên khi tìm điện tích phải xét dấu của chúng.
F = k 1 22 1 . q q r <=> 9 1 2 2 9.10 .q q 0,18 1 (1)
- Cho hai điện tích tiếp xúc với nhau để hai điện tích trở nên bằng nhau:
' ' 1 2 1 2 q q q q 2 (2) khi đó ta có: F’ = k ' ' 1 2 2 2 . q q r 9 1 2 2 2 q q 9.10 .( ) 2 0,576 0,5 (3) Từ (1) và ( 3) ta có phương trình: 11 1 2 6 1 2 q q 2.10 q q 8.10
Ta đi đến 4 phương trình bậc hai:
2 6 11 X 8.10 X 2.10 0 (a) 2 6 11 X 8.10 X 2.10 0 (b) 2 6 11 X 8.10 X 2.10 0 (c) 2 6 11 X 8.10 X 2.10 0 (d) a. Giải phương trình (a) ta có:
6 6 1 2 q 10.10 C,q 2.10 C hoặc 6 6 1 2 q 210 C,q 10.10 C
b. Suy ra nghiệm của (b) bằng cách đổi dấu cả hai nghiệm
4. Kết luận
Từ nghiệm của phương trình em hãy tìm các giá trị của các điện tích cần tìm?
6 6 1 2 q 10.10 C,q 2.10 C hoặc 6 6 1 2 q 10.10 C, q 2.10 C c. Giải phương trình (c ) ta có 0 vơ nghiệm. d. Giải phương trình (d ) ta có 0 vơ nghiệm. 4. Kết luận
Vậy các giá trị của q1 và q2 có thể nhận là: 6 6 1 2 q 10.10 C,q 2.10 C 6 6 1 2 q 210 C,q 10.10 C 6 6 1 2 q 10.10 C,q 2.10 C 6 6 1 2 q 10.10 C, q 2.10 C
Bài 1.2: Lực tương tác của nhiều điện tích điểm
Trên mặt phẳng nằm ngang, nhẵn, cách điện, trong chân khơng có 4 điện tích điểm q1, q2, q3, q4, theo thứ tự ở 4 điểm A,B,C,D của hình vng cạnh a = 30 cm. Xác định lực điện tổng hợp lên điện tích q2? cho q1= q2= - q3= q4= 10-6 C.
Hướng dẫn hoạt động giải bài tập 1.2:
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh 1. Hướng dẫn học sinh tìm hiểu đề bài
Yêu cầu học sinh đọc đề bài chỉ ra bài toán cho những dữ kiện nào và bắt tìm gì.
1. Tìm hiểu đề bài:
Cho : 4 điện tích nằm tại 4 đỉnh hình vng ABCD, cạnh a, trong chân khơng
Tìm: Lực điện tác dụng lên q2 - Liên quan đến tương tác điện
- Căn cứ vào những dấu hiệu đó các em hãy cho biết chúng liên quan đến đại lượng vật lí nào và chịu sự chi phối của